机床电气设备上的小功率直流电机调速板

机床电气设备上的小功率直流电机调速板

   在修复各类机床电气设备，如印刷设备、包装机设备或其它设备时，有的设备需配备多个小功率直流电机，实现工艺流程的控制。当厂商设备销售达到一定的（数量）规模时，有的厂商便自行开发与配置设备上直流电机的调速板，以期达到降低生产成本的要求，这类直流调速板电路简单，成本低廉，通用性强，便于制作和调试，能满足一般性控制要求，且对直流电机具有一定的保护功能。图4-19，即为一款适应1kW以下小功率直流电机用的机床电气设备上的直流调速板电路。这类调速装置通常以一块线路板的形式，安装于控制箱内，与机床设备的控制电路构成一体。
图4-19 机床电气设备上的小功率电机调速板
   1、电路原理简析：
〔主电路〕调速器的主电路采用了先交流调压后整流的电路形式，先用双向晶闸管V1对输入交流电压进行调节，再由P4桥式整流电路对调节后的电压进行整流，供直流电机电枢绕组A1、A2端子的供电；励磁电源，则由P1对交流220V直接整流后，供F1、F2励磁线圈端子。这样，不仅使主电路成本有所降低，更成控制电路大为简化，厂商生产产品，看来一个重要的指标，即是降低成本。在电源输入回路中串联了4A保险管，起到对双向晶闸管V1的第二重（第一重保护由N3、N4完成）过载与短路保护。R1、C2并联在晶闸管的T1、T2两端，吸收有害尖峰电压能量，对晶闸管起到过压保护作用。
〔同步、移相和触发电路〕由U1、N1、N2、V2等电路组成。P2、U1构成同步电压信号采样电路，R5、R6对输入220V交流电压进行限流，输入P2整流桥，将电网的正、负半波“调向”为100Hz的脉动直流信号，经R、U1输入侧（1、2脚）形成U1内部发光二极管的电流输入通路。U1的5脚接入+9V供电的上拉电阻R11，在100Hz脉动直流作用下，U1的5脚（N1的10脚）因U1输出三极管大部分时间处于导通状态下，U5脚电压为近于0V的低电平，在电网电压过零时，U1内部三极管截止，N1的10脚出现一个与电网过零点同步的高电压（窄）脉冲电压，此电压可称为同步信号电压。此处将电网电压进行桥式整流取出同步电压信号的目的，是为了后续电路能在电网正半波和负半波期间，各输出一个移相脉冲信号，来控制双向晶闸管的“双向可控导通”，实现交流调压。若单独取用一个正半波同步信号，形成的移相触发信号，虽触发的也是双向晶闸管，但输出电压即为直流电压了（双向晶闸管仅在电网正半波时被触发导通）。N1运放电路接成电压比较器，反相端由R12、R13对+9V分压，得到5.4的分压值，提高了干扰门限电压水平，也起到对输入信号整形作用，使输出电压为矩形波脉冲。在电网过零点期间，N1的8脚为高电平电压。
N1、V3、V4构成锯齿波形成电路，锯齿波的零电位点与电网过零点对应。V4、D3、R22、R23组成恒流源充电电路，使C10上电压线性上升，提升了电路的移相控制范围。D3为发光二极管，导通电压约为1.2V，其压降受流通电流影响不大，可近似认为是一个恒定电压，作为V4的固定工作偏压，由元件参数可推算出该恒流源的恒定电流值为1.2V－0.6V(V4发射结电压)/2.2kΩ=0.27mA。在电网电压正（负）半波期间，N1的10脚为低电平，8脚也为低电平，V3处于截止状态，V4以恒流（0.27mA）为C10充电，C10上电压线性上升，电网过零点到来时，N1的8脚变为高电平，V3饱和导通，将C10所充电荷快速泄放。因C10的充电时间常数不一样，恒流缓充电，使C10上电压上升斜率较小；放电时间常数小（V3饱和导通下电阻值极小），C10下降斜率大（形成陡峭下降），二者作用在C4的正端形成锯齿波电压，并输出到N2的同相输入端5脚。
N2运算放大器构成可变脉宽输出电路。N2的反相端为速度给定信号输入端，由R19、R21对+9V分压设定转速给定电位器W2的电压调节范围，N2的6脚输入的是一个反向调节电压，W2活动臂分压值越高，主电路输出直流电压越低。因C11放电后会有“残余电压”的存在，选限R21的阻值，使W2调到零位时，N2的6脚电压仍能C11上锯齿波电压的“谷底”，避免N2输出脚出现恒定调电平（调宽脉冲消失）而导致的“移相失步”现象，在给定最高转速信号时，主电路输出反而为零或出现“跳动电压”，引起直流电机剧烈振动。R19的选值，是使给定电压的最高电压值，稍高于C11上锯齿波电压的“齿尖”，在给出最低转速信号时，能使主电路双向晶闸管可靠关断。本电路速度给定电压范围为8.45~1.1V，对就输出电压范围约为0~200V，为开环控制模式。在转速给定电路中，电容C11的正端接电源+9V，负端接N1的6脚，该电容的作用机理是这样的：假定没有该电容的存在，在调速板上电瞬间，当W2活动臂输出电压低于N2的5脚锯齿波峰值电压时，装置得电，电机便会以较高速度运行，易发生意外。当增设C11电容后，上电瞬间，C11的充电电流使N1的6脚产生一个高电平跳变，N1的7脚在上电瞬间为低电平，V1处于关断状态，电机不转。随着C11充电过程的完成，V1逐渐开通，电机按给定速度运转。此后，C11充电电流为零，相当于开路，失去作用。
N2的7脚输出的可调脉宽电压，其左上升沿决定着V1的导通时间，若用于直接驱动脉冲功率放大器V2，则在N2的整个脉宽电压输出期间，V2的一直导通形成了双向晶闸管连续的栅、阴极电流，造成无必要的功耗。串接电容C5的目的，是将N2输出的连续信号变为C5充电电流的“瞬态信号”，N2输出脉宽信号的起始段，C5充电电流最大，形成了V1触发电流的峰值，随着C5上充电电压的建立，充电电流减小至为0，V2截止，但V1被触发后在承受正向电压期间，则一直自维持导通。C5的作用，是将N2输出的连续信号进行了“脉冲化处理”。
〔过载保护电路〕过流故障保护电路由N3、N4、V7、V6等构成。电流采样电阻R3串联于主电路中，R3上的电压降信号经D1、C3整流滤波，在W1活动臂上取出电枢电流信号，经N3放大器放大，输入下级由N4组成的电压比较器电路，当因电枢过流使N3的14脚输出7.8V以上电压时，N4的1脚输出高电平，V7（双向晶闸管，此处也可选用单向晶闸管）被触发导通，接通了保护开关管V6的基极偏流回路，为可变脉宽形成电路N2的6脚引入+9V高电平，迫使N6停止工作，主电路的双向晶闸管V1失去触发脉冲，输出中止，起到了过流保护的作用。
该电路使用晶闸管V7的目的，是出现过流保护动作时，将保护状态“锁定”，V6基极偏流回路中的发光二极管D4，起到“故障指示”的作用。电路具有“故障记忆”功能，保护动作，使主电路的输出停止，电枢电流为零，N4的1脚输出的“过流信号”也随之消失。但 “故障指示”灯却因V7的维持导通，一直处于点亮中，提示工作人员，现在的停机保护动作，是由已发生的过流故障所引起的，应检查故障原因并排除故障后再投入运行！同时，可变脉宽形成电路N2也被锁定于脉宽信号输出的“禁止状态”，要将故障锁定状态复位，须将装置的供电电源断开几秒种后，使V7失去维持电流而关断后，再行恢复供电即可。
2、故障检修思路和方法：
1）输出为最高转速，不可调，测P4整流电压为200V。
a、为装置接入220V/220V隔离维修电源，将V1栅极电阻与电路脱开，即断开V1触发电流通路，测P4整流电压仍为200V，则为主电路晶闸管V击穿短路。
b、给定转速电路W2性能变坏，活动臂与上固定端电阻值变大，使调节电压不能升高，误给出最高转速信号。
2）FUSE保险管熔断，检查桥式整流电路P4内部四只二极管有无一只或二两已经短路。
同时应该检查保护电路W1、N3、N4电路等有无故障，故导致保护失效，使P4烧毁。
3）输出电压为零。牵扯三方面的电路，一为主电路损坏，如晶闸管V1、电流采样电阻R3有开路性损坏；二为保护电路误动作，强制移相触发电路停止工作；三为称相触发电路本身故障，不能输出正常的移相触发脉冲信号。
a、检查R3无断路故障，短接晶闸管V1的T1、T2极，测P4整流输出端有无200V电压。若仍无正常的直流电压输出，则为P4有损坏（加接负载电阻使测试易于判断），若有正常电压输出，继续下一步的检查；
b、用导线或镊子短接脉冲放大管V2的C、E射极，人为接通V1的触发电流通路，P4输出电压仍为0，说明晶闸管V1损坏；测P4能输出200V直流电压，说明主电路完好；继续下一步检查；
c、检查移相触发电路之前，应首先排除保护电路是否误动作，使移相触发电路不能投入正常工作。上电，若发现故障指示灯D4一直处于点亮状态，说明过流保护电路处于误动作状态，检查N3、N3两级保护电路；若D4不亮，测V6的Uce小于1V，则为V6击穿损坏。
更为有效的检查方法，将V的发射极脱开电路板，调W2，测P4输出电压正常变化，故障为保护电路误起控；测P4仍无输出，故障在称相触发电路，继续下一步检查；
d、调整W2，测N2的1脚是否有相应0-8V左右的直流电压输出，若变化正常，即N2本级及前级移相电路工作正常，故障在C5、V2触冲功率放大级，如V2放大倍数变低，或开路，电容C5容量下降或失容，造成触发电流过小，V1不能正常开通等；若N2的1脚为固定8V以上正电压或为0V，则故障在N2及前级电路。应继续下一步检查；
e、据电路分析，“想见”各点波形图，并进而估测或推算出移相触发电路各关键点电压值，作出故障判断。

图4-20 移相触发电路各点“想见波形图”
同步输入电压为交流50Hz正弦波电压，经R5、R6限流（限幅）、P2整流，变为100Hz的脉动直流，由于U1输入侧二极管的削波作用，实际在a点（U1的1、2脚之间）形成一个梯形波电压，其梯形波谷底对应电网过零点。该电压的峰值即为U1输入侧二极管的正向压降，约为1.2V左右。因电网过零点时间极短，但加上U1输入侧发光二极管的门坎电压和P2的正向压降的限制，将梯形波的低电平时间有所“展宽”，可估算U1的1、2脚之间电值比1.2V稍低，应为直流1V左右；
U1输入侧二极管大部分时间处于正向电压作用下，输出侧三极管也大部分时间处于导通状态下，只在电网过零点时，有一个瞬间截止过程，因而B点波形电压峰值为电源电压+9V（U1截止瞬间），最低电压为0V（忽略U1内部三极管的饱和导通压降），波形接近矩形波，但可能有一定的上升斜率。因而b点对地电压值接近0V而低于1V，估算直流电压约为0.4V左右。而且U1有无过同步脉冲电压输出，检测方法也简单有效：用镊子短接U1的1、2脚，测b点电压上升为+9V，松开镊子，测b点电压降为1V以下，可以断定，U1电路是好的，同步电压已经正常输入，也能正常输出同步脉冲信号。
N1电压比较器电路，具有消噪和对输入电压整形作用，输出为与c点波形对应的矩形脉冲电压，所测直流电压值也应为0.4V左右。测N1的9脚直流电压，应为R12、R13的分压值5.4V，输出为04V。判断该级对信号有无正常传输，当用导线或镊子短接9、10脚时，测8脚应变为0V，解除短接，上升为04V。如用交流挡测量输出电压，用镊子短接时，8脚变为0V，解除短接时，8脚输出电压应有大幅度上升，如3V或更高。
锯齿波形成电容C3，由V4、V3的充、放电控制，在d点形成锯齿波电压，锯齿波电压的最大幅度（峰值）可参考给速度给定最高电压值，（应低于给定最大值）约为7V左右，最低电压幅值约为0V（忽略V3的饱和导通压降）。若将锯齿波的三角缺口与锯齿的面积看作近似相等，则对所测d点直流电压，应为3.5V左右。为7V以上或1V以下，说明该点没有形成锯齿波电压。该点电压的有无，也可通过短接N1的两个输入脚来判定，短接时，测d点电压上升为7V以上，解除短接，则降为3V左右，说明该点锯齿波已正常输出。
N2为可调脉宽处理电路，当5脚锯齿波电压正常时，调整6脚速度给定电压时，输出脚应按给定电压作反向变化，当给定0~8V时，输出大致按8~0V变化。调整6脚电压，测输出脚的相应变化，则不难判断该电路的工作是否正常了。

上述分析的步骤和目的：
第一步，分析电路，根据电路工作流程、信号性质分析，可以“想见”出各关键点的电压波形图，如a点为梯形波，b、c点为与电网过零点对应的“窄脉冲”，且峰值电压应为+9V。
第二步，由“想见”得出的波形图，进而根据波形的“占空比”特性，可推算直流电压值，如某脚输出为1﹕1矩形脉冲，则该脚直流电压值一定约为二分之一电源电压。这是以“面积估算”方法，得出关键点的电压值。
经过第一、二步的分析，电路某环节的正常或故障，经过检测，即可以心中有数了。
大部分设备电路，即使给出设备电路图，但往往电路图上，未标注出关键工作点的波形图和电压值，
这给故障检测带来不便，“想见”得出波形图后，可用示波器检测各点波形的有无与形状，与“想见”波形图相对照，有差异时，分析“想见”波形图的不准确之处，提高自己分析电路和“想见”的能力。
无示波器时，可据各关键点推算电压值，检测各点电压，并配合采用短接运放电路输入端等方法，造成电路某点的“动态输出”动作——信号输出的有、无，增强检测的方便和准确度。
如果逐步积累自己的经验，用万用表的交流挡测量各点信号的有无，交流电压测量，具有测量“电压峰值”的特性，所测信号电压幅度更大，动、静态对比检测更为显著，检测移相触发电路各点信号的有无，也是能够胜任的。
根据电路构成，也可以判断该级电路是否正常，如N1构成电压比较器电路，当10脚电压高于9脚基准电压时，8脚输出为+9V高电平，10脚低于9脚电压时，8脚变为0V，输出只能在两个“极端值”之间切换（对脉冲信号传输时，所测为平均电压值，就不是9V和0V了）。怀疑该级电路损坏时，先将U1的1、2脚短接，将交流输入信号中断，将10脚对电源地短接试验，当10脚与地短接时，8脚变为0V。镊子松开时，8脚变为+9V，说明该级运放电路是好的。如N2构成了可调脉宽处理电路，当6脚电压变化时，7脚输出脉冲宽度作反向变化，因而所测直流电压也反比于6脚电压的变化。调节W2，检测7脚输出电压变化，可方便判断该级电路是否正常。
另外，工业控制电路中，不像是音频功率放大器一样，电路所传输和处理的为模拟电压信号，电路所
传输的多为开关量信号，运放电路在电路中，并不是将其作为模拟放大器来应用的，而是作为开关电路来应用的，这就不难解释，像电压比较器电路一样，电路输出也只能有高电平（正的电源电压，+9V）和低电平（电源地电平，0V）两种状态了。

   希望各位朋友，不只着重电路原理，更要注意检修方法的应用，简单而有效的检修方法，是维修者经多年实践得出的好东西，一般是密不示人的，在这里我都全盘托出了，你千万不要谢我，我这篇文章就是为你写的。我快要戒酒了，但你喝酒的时候别忘了我。


旷野之雪
2010年8月24日星期二